Spé. Physique-Chimie · Terminale · cours rédigé et vérifié par Claryo, conforme au Bulletin officiel
La lumière est une onde électromagnétique : une oscillation couplée d'un champ électrique et d'un champ magnétique se propageant dans l'espace, y compris dans le vide. Dans le vide, toutes les ondes électromagnétiques se propagent à la même célérité c = 3{,}00\times 10^{8}\ \text{m·s}^{-1}, quelle que soit leur fréquence.
Le spectre électromagnétique s'étend des ondes radio (basses fréquences, grandes longueurs d'onde) aux rayons gamma (hautes fréquences, courtes longueurs d'onde), en passant par les micro-ondes, l'infrarouge, la lumière visible, l'ultraviolet et les rayons X. La lumière visible n'en occupe qu'une étroite fenêtre, d'environ 400 nm (violet) à 800 nm (rouge). L'énergie transportée par un photon croît avec la fréquence : les rayons gamma sont donc les plus énergétiques, les ondes radio les moins.
Lorsqu'une onde lumineuse change de milieu, sa fréquence reste inchangée (elle est imposée par la source), mais sa célérité change selon l'indice de réfraction n du milieu, défini par n = c/v. Comme \lambda = v/f, la longueur d'onde dans le milieu vaut \lambda_0/n : la lumière "se contracte" en entrant dans un milieu plus réfringent.
Une source chaude dense émet un spectre continu ; un gaz émet ou absorbe des raies discrètes, dont les longueurs d'onde sont caractéristiques de l'élément. Ces spectres de raies, liés aux niveaux d'énergie des atomes, permettent d'identifier la composition des étoiles à distance.
Dans le vide : \lambda = \dfrac{c}{f}, c = 3{,}00\times 10^{8}\ \text{m·s}^{-1}.
Indice et célérité dans un milieu : n = \dfrac{c}{v}, v = \dfrac{c}{n}, \lambda_{milieu} = \dfrac{\lambda_0}{n}.
Énergie d'un photon : E = hf = \dfrac{hc}{\lambda}, h = 6{,}63\times 10^{-34}\ \text{J·s}, 1\ \text{eV} = 1{,}60\times 10^{-19}\ \text{J}.
Schéma type : l'axe du spectre électromagnétique gradué en longueur d'onde, avec la fenêtre visible 400-800 nm zoomée, et la flèche d'énergie croissante du rouge vers le violet.
Pour convertir fréquence et longueur d'onde, on applique \lambda = c/f dans le vide. Pour une raie spectrale, on calcule l'énergie du photon avec E = hc/\lambda, en joules, puis on divise par 1{,}60\times 10^{-19} pour obtenir des électronvolts. Pour un changement de milieu, on rappelle d'abord que la fréquence est conservée, puis on calcule \lambda_{milieu} = \lambda_0/n.
Ne jamais dire que la fréquence change dans un milieu : c'est la longueur d'onde et la célérité qui changent, la fréquence est invariante. Attention aux puissances de dix lors des conversions nm/m. Vérifier que n \ge 1 (la lumière ne va jamais plus vite que c). Pour l'énergie, ne pas confondre joules et électronvolts.
Retiens c = 3{,}00\times 10^{8}\ \text{m·s}^{-1}, les bornes du visible (400-800 nm), et le classement du spectre. Sache calculer E = hc/\lambda et convertir en eV. Comprends qu'un spectre de raies est une signature : c'est ce qui relie ce chapitre aux niveaux d'énergie atomiques. Les ordres de grandeur d'énergie d'un photon visible : quelques eV.